Experimentalphysik 4 - Kern-, Teilchen- und Astrophysik
Experimentalphysik 4 - Kern-, Teilchen- und Astrophysik
ISBN
978-3-662-52883-9
Zusammenfassungen

Der vierte Band der beliebten Lehrbuchreihe zur Experimentalphysik von Professor Demtröder befasst sich mit den Themen Kern-, Teilchen- und Astrophysik. Für die fünfte Auflage wurden alle Bereiche korrigiert und aktualisiert. Beispielsweise wurde ein Kapitel über Quasare ergänzt, und die entsprechenden Abschnitte zur Higgs-Entdeckung und zu Gravitationswellen auf den neuesten Stand der Forschung gebracht.

Die Lehrinhalte sind nach dem Konzept der drei ersten Bände leicht verständlich und dabei möglichst quantitativ präsentiert und dem Bachelor-Studiengang angepasst. Wichtige Definitionen und Formeln sowie alle Abbildungen und Tabellen sind zweifarbig gestaltet, um das Wesentliche deutlich herauszustellen. Durchgerechnete Beispiele im Text sowie Übungsaufgaben nach den Kapiteln mit ausführlichen Lösungen am Ende des Buchs helfen dabei, den Stoff zu bewältigen, und regen zu eigener Mitarbeit an. Viele Illustrationen zu ausgesuchten Themen tragen zum Spaß an diesem Buch bei und motivieren zum Weiterlesen.

Der vierte Band der beliebten Lehrbuchreihe zur Experimentalphysik von Professor Demtröder befasst sich mit den Themen Kern-, Teilchen- und Astrophysik. Für die fünfte Auflage wurden alle Bereiche korrigiert und aktualisiert. Beispielsweise wurde ein Kapitel über Quasare ergänzt, und die entsprechenden Abschnitte zur Higgs-Entdeckung und zu Gravitationswellen auf den neuesten Stand der Forschung gebracht.

Die Lehrinhalte sind nach dem Konzept der drei ersten Bände leicht verständlich und dabei möglichst quantitativ präsentiert und dem Bachelor-Studiengang angepasst. Wichtige Definitionen und Formeln sowie alle Abbildungen und Tabellen sind zweifarbig gestaltet, um das Wesentliche deutlich herauszustellen. Durchgerechnete Beispiele im Text sowie Übungsaufgaben nach den Kapiteln mit ausführlichen Lösungen am Ende des Buchs helfen dabei, den Stoff zu bewältigen, und regen zu eigener Mitarbeit an. Viele Illustrationen zu ausgesuchten Themen tragen zum Spaß an diesem Buch bei und motivieren zum Weiterlesen.

Errata
Begriff Erklärung
Aktivität

Die Aktivität $A(t)=\lambda\cdot N(t)$ einer radioaktiven Substanz ist nach der Halbwertszeit $t_{1/2}=\tau\cdot\ln 2=\ln 2/\lambda$ auf die Hälfte abgeklungen, wobei $N(t)=N(0)\cdot\mathrm{e}^{-\lambda t}$ den zeitlichen Verlauf der Zahl an instabilen Kernen eines Elementes beschreibt. Die Aktivität wird in der Einheit Becquerel (1 Becquerel = 1 Zerfall/s) angegeben. Die Zerfallskonstanten $\lambda$ und somit die Halbwertszeiten $t_{1/2}$ variieren für die verschiedenen instabilen Kerne über viele Größenordnungen.

Alphazerfall

Natürliche $\alpha$-Strahler kommen nur bei schweren Elementen mit $A > 205$ vor. Beim $\alpha$-Zerfall bildet sich im Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen ein $\alpha$-Teilchen, das wegen seiner großen Bindungsenergie eine erhöhte kinetische Energie hat und trotz Coulomb-Barriere durch Tunneleffekt den Kern verlassen kann. Da die Tunnelwahrscheinlichkeit mit steigender Energie des $\alpha$-Teilchens stark zunimmt, senden kurzlebige $\alpha$-Strahler $\alpha$-Teilchen mit größerer Energie aus als langlebige. Weil die Energiezustände im Kern diskrete Werte annehmen, sind die Energiespektren der $\alpha$-Strahlung diskret.

Betazerfall

Beim $\beta$-Zerfall beobachtet man eine kontinuierliche Energieverteilung der Elektronen. Energie-Impuls- und Drehimpulserhaltung fordern einen Drei-Körper-Zerfall:
$\displaystyle\mathrm{{}_{Z}^{A}X}\displaystyle\overset{\beta^{-}}{\rightarrow}\mathrm{{}_{Z+1}^{A}Y}+\mathrm{e}+\bar{\nu}$ bzw. $\displaystyle\mathrm{{}_{Z^{\prime}}^{A^{\prime}}X^{\prime}}\displaystyle\overset{\beta^{+}}{\rightarrow}\mathrm{{}_{Z^{\prime}-1}^{A^{\prime}}Y^{\prime}}+\mathrm{e}^{+}+\nu$ und damit die Existenz eines bis dahin nicht beobachteten Teilchens, des Neutrinos. Die Neutrinos sind Leptonen. Sie haben eine Ruhemasse $m_{\nu}<4\cdot 10^{-6}\,m_{\text{e}}=2 \, {\mathrm{e\kern-0.5ptV}}/c^{2}$ und nur eine sehr schwache Wechselwirkung mit anderen Teilchen.

Bindungsenergie eines Kerns

Die Bindungsenergie eines Kerns ist die Summe aus der negativen potentiellen Energie und der positiven kinetischen Energie der Nukleonen im Kern, die sie aufgrund der Unschärferelation und des Pauli-Prinzips haben.

Charakteristische Größen ionisierender Strahlung

Um die Wirkung ionisierender Strahlung quantitativ zu erfassen, werden eine Reihe messbarer charakteristischer Größen definiert: 1. Die Aktivität einer radioaktiven Substanz gibt die Zahl der Zerfälle pro Sekunde an (Einheit: $1\,\mathrm{Becquerel}$). 2. Die Energiedosis $D$ gibt die gesamte im bestrahlten Körper pro Masseneinheit absorbierte Strahlungsenergie an (Einheit: $1\,\mathrm{Gray} = 1\,\mathrm{Gy} = 1\,\mathrm{J}/\mathrm{kg}$). 3. Die äquivalentdosis $H = Q \cdot D$ berücksichtigt durch den Qualitätsfaktor $Q$ die strahlenartabhängige Gewebeschädigung (Einheit: $1\,\mathrm{Sievert} = Q \cdot 1\,\mathrm{Gray}$).

Weitere Begriffe
  • Kapitel 2: Aufbau der Atomkerne (3)
  • Kapitel 3: Instabile Kerne, Radioaktivität (4)
  • Kapitel 4: Experimentelle Techniken und Geräte in Kern- und Hochenergiephysik (1)
  • Kapitel 5: Kernkräfte und Kernmodelle (4)
  • Kapitel 6: Kernreaktionen (6)
  • Kapitel 7: Physik der Elementarteilchen (4)
  • Kapitel 8: Anwendungen der Kern- und Hochenergiephysik (3)
  • Kapitel 9: Grundlagen der experimentellen Astronomie und Astrophysik (3)
  • Kapitel 10: Unser Sonnensystem (6)
  • Kapitel 11: Geburt, Leben und Tod von Sternen (4)
  • Kapitel 12: Die Entwicklung und heutige Struktur des Universums (4)
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